da strutture molecolari di origine vegetale a … · dalle foglie si ricava una fibra tessile...
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Da molec.veg.a farm.emisint.- MO nov.2008
DA STRUTTURE MOLECOLARI DI ORIGINE VEGETALE A FARMACI EMISINTETICI:
ATTUALITA’ E PROSPETTIVE
14 novembre 2008
Michele Melegari
Già professore ordinario c/o Università di Modena e Reggio
Emilia
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PRESENZA DI Pr.Att. DI ORIGINE VEGETALE NELLE SPECIALITA’ MEDICINALI DEGLI U.SA.
CATEGORIE TERAPEUTICHE:
% DI OGNI CATEGORIA
SUL TOTALE DELLE SPECIALITA’
% DI SPECIALITA’ CONTENENTI
P.A. ATTIVI VEGETALI E/O
DERIVATI DI EMISINTESI
Ormoni (11%) 87% Farmaci cardiovascolari (7%) 73%
Antitussivi (7%) 58% Analgesici (7%) 40%
Antispasmodici (3%) 45% Broncodilatatori (2%) 45%
Lassativi (1%) 44% Miotici (<1%) 76%
Midriatici (< 1%) 89% Antimalarici (<1%) 81%
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Pianta medicinale
secondo la W.H.O. (O.M.S.) è ….
“..vegetale che contiene, in uno o più dei suoi organi,
sostanze che possono essere utilizzate a fini
terapeutici o preventivi, o che sono
precursori di
emisintesi chemiofarmaceutiche…”
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INTRODUZIONE Molti p.a. presenti nelle piante (medicinali), anche se dotati di attività,
non sempre possono essere usati nella struttura “originaria”,
pure se estratti e purificati correttamente, in quanto
o troppo tossici, o instabili o per vari altri motivi..
Inoltre, talvolta la loro % nel vegetale è estremamente bassa e quindi
l’estrazione risulta poco conveniente; ovvero essa può provocare
gravi danni alla sopravvivenza di certe specie vegetali
In questi casi si ricorre quindi alla estrazione di
“precursori” …da sottoporre poi a…
“emisintesi chemiofarmaceutiche”
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COMPOSTI NATURALI…O NATURALIDENTICI ?
“ Composto naturale : qualsiasi sostanza presente in natura, prodotta per
biotrasformazioni da processi biologici”
Tale definizione fa netta distinzione tra quanto è presente in natura e quanto è prodotto
dall'uomo attraverso sintesi specifiche di laboratorio.
La chimica (soprattutto organica), per produrre nuovi composti si è però basata su
ciò che accade in natura.
Non esiste perciò una netta separazione tra i prodotti della chimica di laboratorio e
quelli esistenti in natura: POSSONO ESSERE RITENUTI IDENTICI !
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L’emisintesi chemiofarmaceutica si effettua in laboratori specializzati
L'impiego terapeutico di composti di origine
naturale molto spesso richiede
l'introduzione nella molecola di
gruppi funzionali o sostituenti
non presenti nella struttura
originaria, ampliando notevolmente
la gamma di composti semisintetici: come tali essi si pongono a mezza
via tra i prodotti "naturali" e
quelli strettamente “di sintesi”,
risultando quindi di
difficile catalogazione.
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DALLA PIANTA AD UN FARMACO DI EMISINTESI: E’ UN PERCORSO SPESSO LUNGO, CON VARIE FASI
…Prime indicazioni : è la medicina popolare e tradizionale…
Conoscenze etnobotaniche e etnofarmacologiche
Individuazione (certa) della specie, e/o varietà, da raccogliere o coltivare
Estrazione, isolamento, purificazione, studi di tipo fitochimico, farmacologico etc sulla molecola “attiva”
Progettazione di possibili modifiche strutturali
Attuazione dell’emisintesi a livello di laboratorio/pilota
Saggi farmaco-tossicologici (in vitro e in vivo), pre-clinici e clinici sulla nuova molecola
Produzione, registrazione etc !!
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Le variazioni strutturali da apportare sono diverse !! Alcune abbastanza semplici, altre complesse….
Introduzione di un gruppo funzionale nuovo: -CH3, -COCH3,…
Sostituzione di un gruppo con altro gruppo, per es. isostero (*): -SCH3 al posto di -OCH3
Idrolisi o altri processi di scissione di legami, di demolizione di strutture anulari , di ciclizzazione etc
Ossidazioni, riduzioni etc
Varie modificazioni chimiche in sequenza !
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(*) ISOSTERIA E BIOISOSTERIA
Molecole isosteriche: contengono lo stesso numero di atomi e la stessa disposizione elettronica. Concetto di isosteria:
fu esteso anche (per esempio) all’equivalenza fra -CH=CH- e -S- , quindi analogia
fra benzene e tiofene:
…e da qui possibile scambio isosterico fra diversi anelli aromatici
Bioisosteri: gruppi o molecole con analogie chimiche e fisiche, che producono effetti biologici simili; la molecola cioè è
riconoscibile dallo stesso bersaglio biologico (recettore)
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STORIA E REALTA’ ATTUALE
I percorsi storici fitoterapici “dalla pianta al derivato di emisintesi” sono
stati numerosi e di grande importanza, anche i più “vecchi”….
Valga per tutti l’esempio classico da…
Papaver somniferum (pianta medicinale)goppio (succo condensato=
= droga) g laudano (preparazione galenica officinale) g
g morfina, codeina etc (alcaloidi naturali) g
! diidrocodeinone et al. (derivati di emisintesi) g
! g g ??
E’ un esempio fra i tanti…
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PRINCIPALI ALCALOIDI PRESENTI NELL’OPPIO, droga ottenuta da Papaver somniferum
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OPPIO Succo ottenuto per incisione delle capsule immature della pianta
Papaver somniferum: trasuda la linfa che viene raccolta e si
rapprende all’aria, come resina scura, che viene impastata in pani bruni, dall’odore dolciastro e sapore amaro.
Utilizzo: prevalentemente a scopo stupefacente (!), più che per scopi medici
LAUDANO Tintura di oppio: si otteneva per macerazione dell’oppio nel vino
(o altra sol.ne alcolica), per alcuni giorni, con aromatizzanti: zafferano, cannella,chiodi di garofano..
Venne usato come analgesico, nella guerra civile americana, e per alleviare i disagi psicologici (“tensioni da battaglia”):
ciò causò i primi veri morfinomani. E’ da tempo fuori uso, e vietato
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Dal Papaver somniferum → → farmaci analgesici e antitussivi…. …dalla morfina…………..→ → → ……..alla codeina
↓ ↓
….e successivamente nuovi antitussivi…. ↓
ALCALOIDI A NUCLEO FENANTRENICO
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diidrocodeina (= paracodina) e…………….. …………..…diidrocodeinone, o idrocodone (= dicodid,paracodid)
→ →
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U N I M P O R T A N T E C A P I T O L O :
DAGLI STEROIDI VEGETALI AI FARMACI A STRUTTURA STEROIDEA
DA SOSTANZE
DI ORIGINE VEGETALE….
…QUALI FARMACI SI
OTTENGONO?
Diosgenina
Ecogenina
Solasodina
Stigmasterolo
Smilagenina
Sarsasapogenina
etc.etc
Corticosteroidi Androgeni Estrogeni
Anabolizzanti Progestinici Vitamina D
etc.etc
CICLOPENTANO- PERIDROFENANTRENE
↓
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In varie piante, dal colesterolo di “origine vegetale” si formano altri precursori…
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Alcune delle piante, oggi di norma coltivate, da cui si estraggono precursori per la emisintesi di steroidi:
- Agave sp. (agave): ecogenina
- Dioscorea sp. (“patate dolci”): diosgenina
- Glycine soja (soia): fitosteroli
- Smilax sp. (salsapariglia): smilagenina, sarsasapogenina
- Solanun sp.: solasodina
- Trigonella foenum-graecum (fieno greco): diosgenina
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NORETINDRONE (progesterone sintetico
di C.Djerassi)
NORETINODREL (un altro progesterone sintetico,
F.B.Colton)
Per le emisintesi di tali composti si utilizzò una reazione chimica nota come
“Degradazione di Marker” . Questo studioso per primo estrasse dalle piante un
precursore del progesterone naturale ( sarsasapogenina) e poi con reazioni di
demolizione della catena laterale ottenne il progesterone: tale processo
comportava costi altissimi. Marker individuò un’altra fonte vegetale,
la “cabeza de negro” ??(Annona muricata *), da cui si ottenne la diosgenina
e successivamente i progesteroni semisintetici a prezzo contenuto
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Annona muricata (graviola)
Pianta diffusa in Amazzonia, usata in medicina popolare.
E’ stata studiata anche come fonte di composti a
potenziale attività antitumorale
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SCHEMA DELLA SINTESI DI MARKER (et al.)
Per fermentazione,
l’aglicone g
Apertura dell’anello diidropiranico e taglio di parte della catena laterale
"
f (Djerassi, Pincus..)
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Dioscorea sp.(600)
Specie originarie delle zone intertropicali,
ricche di sapogenine, contenute nei bulbo-
tuberi di piante di 4-5 anni
D.spiculiflora (!),D.macrostachya(!!) D.composita (!!!),
D.floribunda, D.nipponica, D.prazeri,D.tokoro….
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Solanum laciniatum
Per estrarre precursori sono pure utilizzate: S.khasianum,S.sodomoeum
Da ricordare anche: S.tuberosum (patata) ,S.nigrum (erba morella),
S.melongena (melanzana)
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Agave americana, A.sisalana,…
Dalle foglie si ricava una fibra tessile chiamata sisal (anche la tequila
si prepara dal frutto fermentato di Agave).
Le foglie contengono le saponine steroidee (solasodina etc)
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Glycine soja (= S.hispida) Dall’olio di soia si ottiene il
cortisone (cf.oltre)
Smilax spp Salsapariglia (smilagenina, sarsasapogenina)
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Dalla soia al cortisone (da Bruni-Nicoletti “Dizionario ragionato di
Erboristeria e Fitoterapia”)
(1) Dall’olio di soia si ottiene una miscela di fitosteroli, steroidi a struttura triterpenica, che contiene in particolare…
(2)….12-25 % di stigmasterolo, il quale….
(3)…con processo di demolizione in 5 stadi, si trasforma con buona resa in progesterone (ormone del corpo luteo)
(4) Per idrolisi si ottiene l’11-idrossiprogesterone, che, con procedimento a 7 stadi (5) , si trasforma in…
↓
cortisone
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OLIO DI SOIA
MISCELA DI FITOSTEROLI (1) →
←←↵ (2) STIGMASTEROLO
(3)→ → → PROGESTERONE
←←←↵ (4) IDROSSIPROGESTERONE
CORTISONE (5) ↓ → → → →
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LE PIANTE CHE CONTENGONO COMPOSTI STEROIDICI
POSSONO FORNIRE ANCHE ALTRE MOLECOLE:
Es. COMPOSTI A STRUTTURA FLAVONOIDE
Saponine della soia, Glycine soja
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DELLA SOIA VENGONO UTILIZZATI ALCUNI ISOFLAVONI AD ATTIVITA’ FITOESTROGENA
Profilo HPLC di un estratto di ESST di soja:
SOYSELECT ® DAIDZIN, GENISTIN: glicosidi
DAIDZEIN, GENISTEIN: agliconi
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T A X O L O Alcaloide diterpenoide
Contenuto nel Taxus baccata (europeo): 0,001 % nel fusto 0,003 % nelle foglie 0,0006 % nei rami
Contenuto % nel Taxus brevifolia (americano): 0,002 % nella corteccia
Osservazioni e commenti + Per ~ 1g di taxolo (= ½ dose per un trattamento!):
tutta la corteccia di un albero (di 100 anni)!
+ Da fonti ufficiali: per tumori ovarici in USA, occorerebbero ~ 25 kg di taxolo, da ~ 38.000 alberi di T.brevifolia !
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TAXOIDI
Dalle foglie (organi rinnovabili della pianta!) di
Taxus baccata
furono estratti, isolati e purificati i “precursori biosintetici” dei derivati taxoidi, fra cui
baccatina III e desacetilbaccatina III,
prodotti di partenza per la emisintesi sia di taxolo che di derivati analoghi, fra cui il
taxotere (docetaxel) e altri,
dotati di migliori proprietà e minori effetti secondari
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TAXOTERE (DOCETAXEL)
N-debenzoyl-N- (tert-butoxycarbonyl)-10-deacetyltaxol C43H53NO14
DOCETAXEL TRIIDRATO: MW 861,9 DOCETAXEL ANIDRO: MW 807,9
TAXOLO TAXOTERE
⇓ ⇓
→
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Vinca rosea L. (= Catharanthus roseus) Vinca del Madagascar
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NELLA VINCA E’ PRESENTE UN PRECURSORE DI ALCALOIDI: VINDOLINA
……Dalla vindolina, la biosintesi prosegue a formare
gli alcaloidi
bis-indolici
VINBLASTINA E
VINCRISTINA ….→ →
...che nella pianta si è formata per biosintesi
⇓
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ATTUALMENTE LA VINDOLINA SI PUO’ PREPARARE PER SINTESI TOTALE IN LABORATORIO
⇓
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DI RECENTE ULTERIORI PROGRESSI TRAMITE EMISINTESI: dalla vinblastina e dalla vincristina…
…alla vindesina (desacetil vinblastinamide)
Un altro derivato semisintetico è vinorelbina
(5’ noranidrovinblastina)
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Camptotheca acuminata
Da semi, corteccia e giovani foglie si estrae l’alcaloide chinolinico
camptotecina (CPT) Attività antitumorale, ma gravi effetti avversi (citotossici);
inoltre è pochissimo idrosolubile
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CPT
⇒ OmoCPT
n° delle posizioni dei vari R dei derivati emisintetici della CPT
⇑ ⇒ Irinotecan: R in pos.10
←↵
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ALCUNI DERIVATI SEMISINTETICI, IDROSOLUBILI, DELLA CPT
↑
PROFARMACO: per idrolisi libera
il metabolita attivo
IMPIEGO: tumore colorettale
EFFETTI AVVERSI:diarrea,nausea,
leucopenia, alopecia….
↑
NON E’ UN PROFARMACO
IMPIEGO:carcinoma ovarico e polmonare
EFFETTI AVVERSI: neutropenia….
Irinotecan Topotecan
Altri analoghi della CPT: - Exatecan
- Lurtotecan - 9-aminoCPT
- etc
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DELIMOTECAN
Pro-farmaco macromolecolare: CPT coniugata con un carrier
polisaccaridico attraverso un ponte peptidico
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SUNTO: EFFETTI DELLE VARIAZIONI STRUTTURALI DELLA CPT
Sostituzioni nelle posizioni 7,9,10,11 portano ad un aumento della attività e miglioramento delle proprietà fisiche (stabilità, solubilità etc.); per es., l’introduzione di una catena con N basico in pos.7 rende il
derivato più idrofilo e quindi più idrosolubile.
Anche l’introduzione di un metilene nell’anello E, con allargamento dell’anello lattonico, favorisce una migliore attività (OmoCPT)
Ogni sostituzione nelle posizioni 12 e 14 porta invece a composti inattivi
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B e t u l a sp. (alba, pendula, pubescens,
(betulla)
Contiene nella corteccia , bianca argentata, composti
attivi contro il melanoma, e potenzialmente
dotati anche di proprietà antivirali.
Sono derivati triterpenoidi tetraciclici, presenti
come agliconi, o come saponine,
cioè legati a unità glicidiche:
betulina, acido betulinico e derivati
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BETULINA (I)
- E’ il componente principale (35%) della corteccia (materiale di
scarto!!) di specie del genere Betula, e di altre piante;
- molto scarso (<0,03%) è invece l’ACIDO BETULINICO (II).
- (I) e (II) sono in commercio : (I) purezza 97% , ~ € 40/g
- (II) purezza 90%, ~ € 200/g
ACIDO BETULINICO
+ Proprietà citotossiche selettive contro le cellule del melanoma
+ Buone prospettive come antivirale (HIV)
+ A sua volta può servire da precursore
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DALLA BETULINA ALL’ACIDO BETULINICO: BETULINA: per ossidazione del OH alcoolico in C28 → ACIDO BETULONICO :per
riduzione con NaBH4 → si ottengono i due isomeri, α e β :
→ per ricristallizzazione → isomero β = ACIDO BETULINICO
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BEVIRIMAT® E’ un farmaco anti-HIV derivato dell’acido betulinico:
3-O-(3′,3′-dimethylsuccinyl) betulinic acid
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Colchicum autumnale Dalla colchicina (naturale), presente nei semi e bulbi…
…al tiocolchicoside (emisintetico)
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Si tratta di una EMISINTESI (non propriamente chimica in senso stretto) attuata per ovviare alla tossicità della
colchicina
Si è pertanto introdotto il gruppo –SCH3 al posto di –OCH3 attraverso l’azione di un batterio, in condizioni controllate di
fermentazione, effettuata in appositi impianti pilota. Si ottiene così il corrispondente glicoside:
TIOCOLCHICOSIDE
E’ un alcaloide con spiccate proprietà antiinfiammatorie e
analgesiche, sfruttate un tempo specie per l’artrite gottosa; esso
presenta notevoli effetti avversi: nausea, vomito, diarrea, neuriti...
Tale elevata tossicità, fra l’altro, ne ha impedito l’uso come
farmaco antitumorale
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Nel tempo sono state studiate, sperimentate e coltivate nuove specie, come vantaggiose
fonti di precursori…
Per esempio: colchicina e derivati, invece che dal Colchicum autumnale ….
Gloriosa sp. (superba,rothshildiana,…) ↓
Esempio di procedura: estrazione di polvere di semi
con etanolo-acqua (1:1)
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EMISINTESI DI PRODOTTI “NATURAL-IDENTICI” DI ELEVATO VALORE A PARTIRE DA ANALOGHE MOLECOLE
VEGETALI SEMPLICI..…E POCO COSTOSE
SETTORE DEGLI AROMI E PROFUMI:
Dalla lignina : biopolimero costituito da numerosi composti fenolici (unità fenil-
propanoiche) - PM ≈10.000) → → →
Ma sono utilizzati altri precursori per ottenere la vanillina …
eugenolo 4-allil 2metossi fenolo
guaiacolo 2-metossifenolo
Vanillina (4-idrossi-3-metossibenzaldeide): contenuta in Vanilla planifolia (vaniglia)…
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Olio essenziale di Artemisia dracunculus L (estragone, tarragon)
Estragolo (metil cavicolo, 1-allil-4-metossibenzene)
Toscanol ® Analogo ciclometilenico dell’estragolo
→ → →
Il Toscanol ® ha un aroma intenso, anisato, speziato, con varie tonalità: liquirizia, sassofrasso, zafferano, mirto, carvi…
Può sostituire vari o.e.: basilico, estragone…
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Dall’α-pinene (contenuto nella “trementina
americana”)(*) → cloruro di bornile → → acetato di isobornile →
→ idrolisi → isoborneolo →
→ ossidazione ?
canfora
Un altro esempio di precursore di origine vegetale usato per ottenere una sostanza farmaceutica: canfora
(*) Oleoresina, ricca di o.e., che contiene 95% di α-pinene:
levogiro nelle sp. europee, destrogiro in quelle
americane !
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Certe emisintesi risultano molto problematiche !
Glicosidi cardioattivi (1)
Sono derivati steroidici con attività spiccata e selettiva sul miocardio;
si trovano in diverse piante appartenenti a varie famiglie e generi:
Digitalis, Convallaria, Adonis , Strophanthus, Uriginea…
Hanno la struttura del ciclopentano peridrofenantrene
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Hanno –O in 3β; -OH in 14 β; un γ lattone α, β insaturo in 17
In pos.3 una sequenza di zuccheri (tre): digitossosio, glucosio, digitalosio etc… → →
Digossina: -OH in 12 → → → ↓
Digitossina: senza –OH in 12 (= composto più lipofilo!)
Glicosidi cardioattivi (2)
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Tentativo di variazione strutturale:
dalla digossina → alla metil-digossina ?
Digossina - C41 H64O14 - PM 780 ↓
<Digitossina: manca l’OH in 12
C41H64O13 PM 764>
+ -CH3 → → → ??
Glicosidi cardioattivi (3)
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Recenti studi emisintetici riguardanti una classe di p.a. dell’iperico
E’ noto che le proprietà farmacologiche, e le potenziali utilizzazioni
fitoterapiche, degli E.S. di iperico dipendono da vari fattori:
- quali costituenti sono i (presunti) responsabili della/e attività ?
- quali vengono estratti dalla droga (solventi? condizioni?)
- stabilità della originaria struttura chimica ?
- tipo di formulazione
- altri fattori
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(1) Hyperforin R = CH(CH3)2 (1a) Adhyperforin R = CH(CH3)CH2CH3
Variazioni strutturali attualmente ancora in fase di studio:
- alchilazione all’-OH
- esterificazione con ac.acetico o con
ac.trimetossibenzoico
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LE RICERCHE CONTINUANO PER SVILUPPARE
E ARRICCHIRE LA MODERNA MEDICINA,
A PARTIRE DALLE RISORSE
D E L L A
P I A N T A
E SFRUTTANDO TUTTE LE POTENZIALITA’
DELLE ATTUALI CONOSCENZE
S C I E N T I F I C H E
CONSIDERAZIONI FINALI
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Bibliografia - A.Bruni, M.Nicoletti, “Dizionario ragionato di Erboristeria e di Fitoterapia”, Piccin Ed., Padova, 2003 - E.Campanini,“Dizionario di fitoterapia e piante medicinali”,Tec.Nuove,Milano, 2004 - P.Chiereghin, “Farmacia verde”, Edagricole, Bologna, 2002 - R.Della Loggia, "Piante officinali per infusi e tisane ", Ed. O.E.M.F., Milano, 1993 - F.Firenzuoli, "Fitoterapia", 3° Ed., Ed.Masson, Milano, 2002 - F.Firenzuoli, “Le insidie del naturale”, Tec.Nuove, Milano, 1996 - A.Y.Leung, S.Foster, “Enciclopedia delle piante medicinali” (trad. di M.Nicoletti, M.Serafini), Ed.Aporie, Roma, 1999 - I.Morelli, G.Flamini, L.Pistelli, “Manuale dell’erborista”, Tec. Nuove, Milano, 2005 - O.M.S., “Monografie di piante medicinali”, Voll.I,II. Ed.SIFIT, Siena, 2002 e 2004 - M.Nicoletti, “I principi attivi delle droghe vegetali”, Monografie su Erbor.Domani, St.Ed., Milano, fascic. anni 2005-2006 - M.Pedretti, “Chimica e farmacologia delle piante medicinali”, St. Ed., Milano, 1983 - G.Spignoli,V.Mercati, “Guida bibliografica ai più noti fitoterapici”, Ed.Aboca,Sansepolcro, 1999